CN1111314C - 高温超导薄膜衬底台阶本征约瑟夫森结阵及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
高温超导薄膜衬底台阶本征约瑟夫森结阵及其制备方法。涉及高温超导材料中的约瑟夫森结器件领域。解决了制备高温超导薄膜本征约瑟夫森结的技术问题。在小角度台阶衬底上外延生长高温超导薄膜，将超导薄膜在跨越台阶处刻蚀成微桥。本发明是利用高温超导材料本身固有的层间约瑟夫森效应提出了约瑟夫森结的一种新结构及制备方法。该结构可单独作为超导器件使用，也可组合成SQUID器件以及其它超导集成电路。
Description
一.技术领域：
本发明涉及高温超导材料中的约瑟夫森结器件，特别是涉及高温超导薄膜本征约瑟夫森结阵及其制备方法。
二.背景技术：
对比文件1：High-Tc substrate step junctions operated at 77 K，et al，Supercond.Sci.Technol.，Vol.5，P.160，1992.(工作在77 K温度下的高温超导衬底台阶结，H.M.Jiang等，超导科学与技术，第5卷，160页，1992年)
对比文件2：Substrate step-edge YBa2Cu3O7 rf SQUIDs，K.P.Daly，et al，Appl.Phy.Lett.，Vol.58，P.543，1991.(衬底台阶边缘YBa2Cu3O7射频超导量子干涉器件，K.P.Daly等，应用物理快报，第58卷，543页，1991年)
对比文件3：Investigation of step-edge microbridges for application asmicrowave detecors，M.Daginnus，et al，Supercond.Sci.Technol.，Vol.4，P.482，1991.(台阶边缘微桥作为微波探测器应用研究，M.Daginnus等，超导科学与技术，第4卷，482页，1991年)
对比文件4：Microstructure of epitaxial YBa2Cu3O7 films on step-edge SrTiO3substrates，C.L.Jia，et al，Physica C，Vol.175，P.545，1991.(外延YBa2Cu3O7薄膜在SrTiO3衬底台阶边缘上的微结构，C.L.Jia等，Physica C，第175卷，545页，1991年)
对比文件1、对比文件2和对比文件3中约瑟夫森结所使用的衬底台阶侧面与衬底表面之间夹角都大于45度，要求越大越好，希望衬底台阶侧面与衬底表面之间夹角等于90度，即台阶侧面垂直于衬底表面为最好，则超导薄膜微桥在台阶的两个拐角处形成两个晶界为最佳。这种约瑟夫森结是利用晶界弱连接形成的，而每个微桥包含两个约瑟夫森结。由于制作90度的衬底台阶非常困难，晶界的质量受到限制，因此也影响了约瑟夫森结的质量。
对比文件4中作者用高分变率透射电镜观察了在不同衬底台阶侧面与衬底表面[2]之间夹角情况下高温超导薄膜生长的方向。当台阶侧面与衬底表面之间夹角大于60度时在台阶拐角处可产生晶界，当夹角小于45度时没有晶界产生。其结论是夹角接近90度的台阶可以用来制作衬底台阶结器件，小角度台阶高温超导薄膜不能制作约瑟夫森结。
人们在制作衬底台阶结时总希望产生很好的晶界，传统的技术方案是台阶侧面与衬底表面之间夹角角度大于60度。本发明的目的是利用高温超导材料本征的物理结构制作一种工艺简单、重复性好、高质量的高温超导薄膜小角度衬底台阶本征约瑟夫森结阵。
三.发明内容：
一种高温超导薄膜衬底台阶本征约瑟夫森结阵的制备方法，衬底材料选用可外延生长层状高温超导薄膜的单晶材料[1]，衬底表面[2]与单晶001面平行，在衬底表面[2]上制出台阶，在台阶衬底上外延生长高温超导薄膜[4]，超导薄膜[4]厚度小于台阶高度，将超导薄膜[4]在跨越台阶处刻蚀成微桥[5]形状，要求台阶侧面[3]与衬底表面[2]之间夹角大于0度小于45度。
一种高温超导薄膜衬底台阶本征约瑟夫森结阵，台阶衬底上外延生长层状高温超导薄膜[4]，超导薄膜[4]厚度小于台阶高度，超导薄膜微桥[5]跨越台阶，制作的衬底台阶侧面[3]与衬底表面[2]之间夹角大于0度小于45度，在台阶衬底上外延生长的高温超导薄膜[4]Cu-O层面[6]都与衬底表面[2]平行，超导薄膜微桥[5]是由本征约瑟夫森结相串联构成的。
高温超导薄膜衬底台阶本征约瑟夫森结阵的制备方法：
选用可以外延生长层状高温超导薄膜的单晶材料[1]作为衬底材料。采用常规的晶体定向、切割和抛光技术，在衬底材料上制出与晶体001面平行的平面。采用氩离子或其它常规刻蚀方法在衬底表面[2]上刻蚀出小角度衬底台阶，要求台阶侧面[3]与衬底表面[2]之间夹角大于0度小于45度。在台阶衬底上外延生长高温超导薄膜[4]，薄膜的厚度小于台阶的高度。采用湿法或干法刻蚀的方法跨越衬底台阶刻蚀出超导薄膜微桥[5]。
高温超导薄膜衬底台阶本征约瑟夫森结阵的结构：
如图1和图2所示，衬底台阶侧面[3]与衬底表面[2]之间夹角α大于0度小于45度，台阶的高度由本征约瑟夫森结阵的技术指标要求决定。在台阶衬底上外延生长高温超导薄膜[4]的厚度小于台阶高度。如图2所示，在台阶衬底上外延生长的高温超导薄膜[4]Cu-O层面[6]都与衬底表面[2]平行。超导薄膜微桥[5]上的每个Cu-O层都是一个超导电极，相邻的两个超导电极则组成一个本征约瑟夫森结，一个超导薄膜微桥[5]则是多个本征约瑟夫森结相串联构成的。
本发明打破人们追求在台阶的两个拐角处形成晶界产生约瑟夫森效应的传统技术观念，改变一味追求大角度台阶的技术方案。本发明使用小角度台阶，利用高温超导材料本身固有的层间约瑟夫森效应制作约瑟夫森结。由于每个Cu-O层的厚度、相邻Cu-O层之间的距离都是原子尺寸上的一致，Cu-O层之间的物质和结构也都具有高度的一致性，避免了人工制作约瑟夫森结的重复性差的缺点。因此，可以制作出性能一致的约瑟夫森结阵。
由于单个本征约瑟夫森结的长度只有十几埃，采用本发明可以很方便的制作出多个本征约瑟夫森结串联的阵列。调整衬底台阶的高度和高温超导薄膜[4]的厚度可以很方便地调整本征约瑟夫森结阵中串联的本征约瑟夫森结的个数。
四.附图说明：
图1是高温超导薄膜衬底台阶本征约瑟夫森结阵的示意图。
图2是高温超导薄膜沿微桥方向的横抛面示意图。
五.具体实施方法：
本发明适用于所有层状结构的高温超导材料，如Bi-Sr-Ca-Cu-O、Tl-Ba-Ca-Cu-O、Hg-Ba-Ca-Cu-O和Y-Ba-Cu-O材料以及它们的元素替代材料。其中以Bi-Sr-Ca-Cu-O、Tl-Ba-Ca-Cu-O和它们的元素替代材料效果为最好。
衬底材料可选用LaAlO3、SrTiO3、MgO和ZrO2以及其它可外延生长高温超导薄膜的单晶材料[1]，其中以LaAlO3和SrTiO3单晶材料[1]为最好。
如图2所示，台阶侧面[3]与衬底表面[2]的夹角度α可取大于0度小于45度的任意角度。凡是台阶侧面[3]与衬底表面[2]的夹角在大于0度小于45度内取值均属本发明的技术特征所保护。根据所需结阵参数要求不同，可取不同的α值。α取5度和35度之间的任意值时效果为最好。台阶的高度不限，一般大于100nm较好。
高温超导薄膜的厚度可根据所需结器件参数要求来决定，但必须小于台阶的高度。
微桥的方向可选择在很宽的角度范围内，但以沿着垂直于台阶的方向为最好。
微桥[5]的宽度没有限制，一般在数微米范围内。
选用可外延生长层状结构高温超导薄膜的衬底材料，按照本发明所述的要求制作单晶衬底台阶，在台阶衬底上外延生长高温超导薄膜[4]，在微桥[5]中Cu-O层相互平行并与台阶衬底表面[2]平行，微桥[5]是由本征约瑟夫森结相串联构成的，如图2所示。
实施例1：采用LaAlO3单晶衬底，台阶侧面[3]与衬底表面[2]之间夹角等于30度，台阶高0.34μm。外延Tl2Ba2CaCu2O8超导薄膜[4]，膜厚0.24μm。采用湿法光刻和酸腐蚀方法横跨台阶刻出超导薄膜微桥[5]，微桥[5]宽度3μm，长度20μm。所得约瑟夫森结器件在液氮温度下I-V特性曲线具有明显的回滞，临界电流Ic＝3.2mA，临界电流Ic与反回电流Ir之比Ic/Ir＝1.6，特征电压Vc＝1.5V。
实施例2：采用LaAlO3单晶衬底，台阶侧面[3]与衬底表面[2]之间夹角等于10度，台阶高0.24μm。外延Tl2Ba2CaCu2O8超导薄膜[4]，膜厚0.18μm。采用湿法光刻和酸腐蚀方法横跨台阶刻出超导薄膜微桥[5]，微桥[5]宽度6μm，长度20μm。所得约瑟夫森结器件在液氮温度下I-V特性曲线具有明显的回滞，临界电流Ic＝0.6mA，临界电流Ic与反回电流Ir之比Ic/Ir＝1.2，特征电压Vc＝0.8V。
高温超导薄膜衬底台阶本征约瑟夫森结阵可以单独作为超导器件使用，也可以组合成SQUID(超导量子干涉器件)器件以及其它超导集成电路。
Claims (4)
1.一种高温超导薄膜衬底台阶本征约瑟夫森结阵的制备方法，衬底材料选用可外延生长层状高温超导薄膜LaAlO3或SrTiO3或MgO或ZrO2的单晶材料[1]，衬底表面[2]与晶体001面平行，在衬底表面[2]上制出台阶，在台阶衬底上外延生长高温超导Bi-Sr-Ca-Cu-O或Tl-Ba-Ca-Cu-O或Hg-Ba-Ca-Cu-O或Y-Ba-Cu-O薄膜[4]，超导薄膜[4]厚度小于台阶高度，将超导薄膜[4]跨越台阶刻蚀成微桥[5]形状，其特征是台阶侧面[3]与衬底表面[2]之间夹角大于0度小于45度。
2.根据权利要求1所述的高温超导薄膜衬底台阶本征约瑟夫森结阵的制备方法，其特征是台阶侧面[3]与衬底表面[2]之间夹角大于5度小于35度范围内可任意取值。
3.一种高温超导薄膜衬底台阶本征约瑟夫森结阵，衬底材料选用可外延生长层状高温超导薄膜LaAlO3或SrTiO3或MgO或ZrO2的单晶材料[1]，衬底表面[2]与晶体001面平行，在衬底表面[2]上制出台阶，在台阶衬底材料上外延生长层状高温超导Bi-Sr-Ca-Cu-O或Tl-Ba-Ca-Cu-O或Hg-Ba-Ca-Cu-O或Y-Ba-Cu-O薄膜[4]，超导薄膜[4]厚度小于台阶高度，将超导薄膜[4]跨越台阶刻蚀成微桥[5]形状，其特征是衬底表面[2]与晶体001面平行，衬底台阶侧面[3]与衬底表面[2]之间夹角大于0度小于45度，在台阶衬底上外延生长的高温超导薄膜[4]Cu-O层面[6]都与衬底表面[2]平行，超导薄膜微桥[5]是由本征约瑟夫森结相串联构成的。
4.根据权利要求3所述的高温超导薄膜衬底台阶本征约瑟夫森结阵，其特征是台阶侧面[3]与衬底表面[2]之间夹角大于5度小于35度范围内可任意取值。
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